新风改善室内空气品质的量化与评价研究.docx

新风改善室内空气品质的量化与评价研究王张军，龙恩深( 四川大学建筑节能与人居环境研究所，成都 610065)旭( 同济大学暖通空调 燃气研究所，上海 200092)摘 要 向室内人员提供呼吸代谢必需的新鲜空气且有效控制室内人员的污染暴露水平，达到改善室内空气品质( IAQ) 的目的，即为新风第一效应。完整的新风第一效应描述包括入室新风气流的流动特性、新风到达室内任意点的有效量、 新风气流稀释运移污染物的能力和污染源强度与分布的影响特性。本文从新风效应发生过程中的质量迁移方面首次提出了 新风效应第一因子 FFOAE，完成对新风第一效应的量化与评价。应用结果表明，利用 FFOAE 能够有效揭示在新风改善 IAQ 的过程中新风气流与污染源各自的影响规律和二者之间的制约关系，识别影响新风改善 IAQ 效果的主导性因素和提高改善 效果的关键策略，并且为新风量指标的合理确定、通风系统设计和优化提供理论指导。关键词 新风; 第一效应; 室内空气品质; 新风效应第一因子中图分类号 TU834. 3; TU834. 3 + 3文献标识码 A大小、送风方式、污染源强度与分布条件下将表现出不同的特征，特别是影响新风改善 IAQ 效果的主要 矛盾也将发生变化。因此，新风第一效应的完整刻 画需要涵盖新风气流与污染源的各自影响和相互影 响 3 个角度，其量化和评价方法需要能够揭示这种 主要矛盾。为了达到这一目标，本文提出新风效应 第一因子，以实现从理论的角度为提高新风改善 IAQ 效果的关键策略制定、合理的新风量指标确定、 通风系统设计与优化提供指导。引言新风气流在室内扩散传递过程中，一方面需要 为室内人员的呼吸代谢提供必需的新鲜空气; 另一 方面，需要在有污染源耦合影响的前提下，通过传递 作用下的质量迁移来及时排除室内污染物，有效控 制室内人员的污染暴露水平，从而达到改善 IAQ 的 目的，即新风第一效应。如何反映新风气流的这些 特性? 污染物浓度、污染物驻留时间、通风效率、换 气效率、相对通风效率、净化流量、送排风贡献率、污 染物累积指数、污染物扩散指数、净化效率、空气龄 是描述新风气流特性的重要指 标 和 方 法1-7。 此 外，为了反映室内污染物的传输结构，我国学者邓启 红建立了对流传输过程模拟与可视化方法8; 为了 描述有限时间内送风或污染源对室内空气环境的影 响，李先庭提出了送风可及性和污染源可及性概 念9; 为了优化室内污染( VOC) 源和人员活动区域 分布，张寅平提出了空间流动影响因子概念10。可 以看到，由于研究的目的和出发点的不同，上述已有 研究提出的指标或方法分别从多个侧面实现了对新 风第一效应的分析和描述。严格讲，在新风改善 IAQ 过程中，新风气流所 发挥的作用和污染源所产生的影响在不同的新风量01新风效应第一因子的建立新风效应发生过程中的质量迁移( 新风第一效应) 即是在伴随混合、稀释、置换现象下新风气流与污染物组分在室内的质量传递过程( 即物理过程) 。 根据室内新风效应发生过程中的质量迁移机制，完 整的新风第一效应描述应当包括对( A) 入室新风气 流的流动特性、( B) 新风到达室内任意点的有效量、 ( C) 新风气流稀释运移污染物的能力和( D) 污染源 强度与分布的影响特性的描述，即涵盖入室新风气 流、污染源的各自特性及其相互作用关系。入室新风气流信息包括新风量、入室新风品质 和室内空气流动方式，而污染源信息涉及源散发强 度和分布情况。其中，前 3 者决定了新风组分的室 内传递量和传递时间，再联合后 2 者共同决定了污 染物组分的室内传递量和传递时间。因此，从物理 过程方面进行完整的新风效应描述所涉及的 4 个方收稿日期 2012-04-30作者简介 王 军( 1983-) ，博士，博士后联系方式 wangjunhvac 163. com尽管就室内任意空气微元体的品质而言，“时间是标尺，组分构成是原因”。实际上，组分传递的快慢 可以影响室内人员在一定时间段内获得的有效新风 量和受到的污染物暴露量。另一方面，室内任意点的空气龄是新风从送风 口传递到该点的时间，获得该点在其空气龄时间段 内的新风累积量可以同时反映室内新风组分传递量和传递时间信息。假设入室新风为一种标志性气体( 标记为 COA ) ，且室内不存在该标志性气体的发生 源，则在空气龄时间段内空气微元体中标志性气体 累积量为:对这一特点，由根据式( 1) 和式( 2 ) 可以得到室内空间 任意点的局部 空 气 新 鲜 度 ( LAF，LocalAirFreshness) ，且为便于应用引入对数来减小结果的数值变化幅度，即:LAF( x，y，z，t) =t COA ( x，y，z，) g( x，y，z，) dt Alogtt CP ( x，y，z，) + CB ( x，y，z，) g( x，y，z，) dA( 3)式中: 为非组分构成因素增加的空气新鲜感修正 系数，包括空气焓值水平和空气流动特性( 如自然 风) 的影响。再次，由于 LAF 反映的是绝对结果，即在新风 第一效应不显著的前提下也可以通过增大新风量或污染物排除量来使 LAF 达到很高的水平; 因此，完 整的新风第一效应评价还需要有合理的参照量，并 得到相对结果。根据 LAF 的制约因素，可以分别选 择送风口处的新风有效量、排风口处的污染物排除 量和名义时间常数作为组分传递量和传递时间的合 理参照量，并结合由式( 3 ) 得到新风效应第一因子( FFOAE，First Factor of Outdoor Air Effect) 为:FFOAE( x，y，z，t) =tGOA ( x，y，z，t) = COA ( x，y，z，) g( x，y，z，) dt A( 1)式中: COA ( x，y，z， ) 为 时刻流经微元空气体 ( dxdydz) 的风量中的新风比重; g( x，y，z，) 为 时刻流经微元空气体( dxdydz) 的风量，m3 / s; 为标A志性气体从送风口传递到空气微元体的时间，即空气龄，s; t 为通风时间，s。对于污染物组分传递到空气微元体的时间，从 理论上讲可以采用类似于空气龄的方法进行确定; 但由于送风等边界条件的污染物年龄不确定，使得 室内污染物年龄方程无法求解。因此，为了避免这 一问题，本文将通过在空气龄时间段内污染物的累 积特性来间接反映污染物组分的传递量和传递时 间，即:tCOA ( x，y，z，) g( x，y，z，) dnt Alog tG( ) COA，s ( ) dAt AtG( ) CP，e ( ) + CB，e ( ) dtGC ( x，y，z，t) = CP ( x，y，z，)t A+t Att ACP ( x，y，z，) + CB ( x，y，z，) g( x，y，z，) dCB ( x，y，z，) g( x，y，z，) d( 2)= logEOA ( x，y，z，t) E ( x，y，z，t) EP，B ( x，y，z，t) 3式中: CP 为人员污染物的浓度，mg / m ; CB 为( 建材饰材散发) 建筑污染物的浓度，mg / m3 。其次，由于室内任意空气微元体的组分构成决 定了其品质是否良好，再结合新风第一效应的含义 可以做出如下理解: 空气微元体在空气龄时间段内 的新风组分累积量越大且污染物累积量越小，即二 者比值越高，则该微元体中空气的品质( 或新鲜度) 越好，新风第一效应也就越显著。同时，上述两者的 累积量既决定于新风第一效应所涉及的 4 个方面又 共同对其做出完整反映，即反映了组分传递到空气 微元体的传递量及其时间特性。因此，新风组分累 积量与污染物累积量的比值可以用于衡量空气的新A( 4)tCOA ( x，y，z，) g( x，y，z，) d t AEOA ( x，y，z，t)=tt G( )( ) dCOA，sAE ( x，y，z，t)= =n /AEP，B ( x，y，z，t)Att G( ) ( )( ) CP，e+ CB，e dAtt ACP ( x，y，z，) + CB ( x，y，z，) g( x，y，z，) d( 5)OA，sP，eB，e新风第一效应影响的一般性共同特征角度看，可以不受此局限。因此，为了便于分析计算且达到研究 目的，采用图 1 所示的二维简化空间为研究对象。 空间的几何尺寸为 6. 4m 3. 2m，人员污染源 ( P- source) 和建筑污染源( 建材) ( B-source) 的几何尺寸 为 0. 4m，送风口( Inlet) 和排风口( Outlet) 的尺寸为0. 4m。根据送排风口的位置分布关系，存在以下 4 种气流组织形式: ( a) 上送上排 ULUR、( b) 上送下 排 ULLR、( c ) 下 送 下 排 LLLR 和 ( d ) 下 送 上 排 LLUR。在分析过程中，不考虑热源( 热边界) 的影响， 室内空气温度为恒定值 25 。同时，为了消除由计 算分析方法所带来的影响，所有计算分析均进行网 格独立性检查，并对湍流模型、壁面处理、物性参数、 边界条件、松弛因子、离散格式、速度压力耦合方法、 初始条件采用相同计算设置。风口处人员污染物浓度和建筑污染物浓度，mg / m3 ;G( ) 为通风量，m3 / s; 为名义时间常数( 等于室n内空间体积与新风量之比) ，s; EOA ( x，y，z，t) 为新风有效量的传递效率，反映了室内任意点获得有效新 风量的能力; EA ( x，y，z，t) 为新风气流传递的时间 效率，反映了新风到达室内任意点的快慢; EP，B ( x， y，z，t) 为新风与污染源联合作用下的污染物迁移效 率，同时反映了新风运移污染物的能力和污染源的 影响特性。由式 ( 4 ) 可 以 看 到，新风效应第一因子 ( FFOAE) 为无量纲数，即可以在不同室内空间进行 比较; 同时，定量地表征了入室新风气流的流动特 性、新风到达室内任意点的有效量、新风气流稀释运 移污染物的能力和污染源的影响特性，即涵盖了入 室新风气流、污染源的各自特性及其相互作用关系。 此外还应当看到，FFOAE 越大表明传递到室内任意 点的新风有效量越大或( 且) 新风到达室内任意点 的时间越短或( 且) 新风运移污染物的能力越强( 即 污染物的累积量越小) ; 因此，FFOAE 越高表明新风 在室内空气环境中所产生的正效应越显著，即越有 利于 IAQ 的改善。此外，由式( 4) 还可以得到:FFOAE( x，y，z，0) = 0( 6)FFOAE( x，y，z， )=C OA ( x，y，z， ) n图 1 新风第一效应计算分析对象log CAOA，s在分析四种不同气流组织形式下新风第一效应CP，e + CB，e =的差别过程中，新风量按照 0. 5h 选取换气次数，人员污染源( CO2 ) 的散发强度为 12. 63mg / s，建筑 污染源( TVOC) 的散发强度为 0. 05mg / s; 两类污染 源的水平间距为 0. 8m。对于上述四种气流组织形 式，空气流动结构如图 2 所示。图 3 和图 4 分别给出四种气流组织形式下人员 污染物( CO2 ) 和建筑污染物( TVOC) 的浓度分布情 况。可以看到，对于 ULUR 和 ULLR，污染物最高浓 度出现在左下侧区域，而最低浓度出现在顶部区域; 但对于 LLLR 和 LLUR，最大值出现在右下侧区域， 而最小值出现在左下侧区域。由于污染物被有效或 及时排除，ULLR 的浓度水平要明显低于 ULUR 的 结果，而 LLLR 的浓度水平在 4 种气流组织方式中 最低。此外，在 ULUR 和 ULLR 中存在垂直浓度分 1CP ( x，y，z， ) + CB ( x，y，z， )logEOA ( x，y，z， ) E ( x，y，z， ) EP，B ( x，y，z，) A( 7)式( 6) 表明，在通风初始时刻，由于新风传递在室内 尚未进行，即室内各点的新风组分含量为 0，故初始 时刻的 FFOAE 为 0; 式( 7 ) 表明，当通风时间足够 长，室内新风效应作用下的质量输运过程进入稳态， 新风气流在室内各点的传递快慢不再变化，传递时 间( 空气龄) 对 FFOAE 的调节作用已不再凸显，此 时 FFOAE 趋于恒定并完全取决于空气微元体的组 分构成。新风效应第一因子的应用从理论上讲，空间的几何尺寸和维度的不同会2图 5 空气龄分布( s)FFOAE 上升，入室新风气流的流动特性( 空气龄) 促使其在 ULUR 和 ULLR 中自上而下先减小再增加， 在 LLLR 和 LLUR 中从左至右不断减 小，而 最 终 ULUR 和 ULLR 的 FFOAE 自上而下表现为不断增 加，而 LLLR 和 LLUR 的 FFOAE 从左至右逐渐减 小。这表明，污染源分布对 ULUR 和 ULLR 的影响 更显著，而 LLLR 和 LLUR 受入室新风气流流动特 性的影响更大。层，而在 LLLR 和 LLUR 中存在水平浓度分层。四种气流组织形式下的空气龄分布如图 5 所 示。可以发现，由于新风不能直接传递到回流区，因 此在该区域的空气龄要比其他区域高; 然而，污染物 浓度在回流区却较低。同时，在四种气流组织形式 中，对于出现污染物最高浓度的区域，空气龄却不是 最高的。因此，具有高空气龄的区域也可以是低污 染物浓度区，反之亦然。图 6 给出了四种气流组织形式下的新风效应第 一因子 FFOAE 分布。可以发现，由于混合、稀释和 置换作用的发生，FFOAE 自送风口开始沿着新风气 流流动路径逐渐较小。同时，在 ULUR 和 ULLR 的 左下侧区域以及 LLLR 和 LLUR 的右下侧区域，由 于污染源分布的影响以及新风稀释运移污染物的能 力受到限制，在这些区域 FFOAE 出现了最小值。在 回流区，四种气流组织方式的污染源分布有利于图 6 新风效应第一因子 FFOAE鉴于 FFOAE 是三种效率的叠加结果，因此给出计算分析对象垂直中心线上 FFOAE 与三种效率之 间的叠加关系，如图 7 所示。可以看到，对 ULUR 和 ULLR 而言，由于 EA 和 EP，B 的增加，FFOAE 在顶部区域随着高度的增加而 逐渐提高; 同时，由于较高的 EA ，ULLR 在底部区域 的 FFOAE 要明显高于 ULUR 相应结果。另一方面， LLLR 和 LLUR 的 FFOAE 在底部区域随高度先增加 再减小，增加的原因在于 EP，B 的升高，而减小的原因 归于 EA 和 EP，B 的 均 下 降。 而 在 顶 部 区 域，尽 管 LLUR 的 EA 较高，但由于其 EP，B 很低，因此在该区 域其 FFOAE 要小于 LLLR 的对应结果。上述结果表明，提高新风气流传递的时间效率EA 是增强 ULLR 新风第一效应，即提高新风改善结语本文所建立的新风效应第一因子 FFOAE 为新 风改善室内空气品质( IAQ) 的量化和评价提供了新 的方法。利用该方法能够有效揭示新风气流和污染 源对通风效果、人员所获得新风的品质和量的影响 规律和相互制约关系，为提高新风改善 IAQ 效果找 到关键策略; 同时，为室内所需新风量指标的合理确 定、通风系统设计和优化提供理论指导。3参考文献1 Zvirin Y ， Shinnar R Interpretation of internal tracerexperiments and local sojourn time distributionsJ InternationalJournal of Multiphase Flow，1976，2: 495 520Davidson L ，Olsson E Calculation of age and local purging flow rate in roomsJ Building and Environment，1987，22: 111 127Murakami S New scales for ventilation efficiency and their application based on numerical simulation of room airflowC Proceeding of International Symposium on Room Air Convection and Ventilation Effectiveness，1992Kato S ，Murakami S ，Kobayashi H New scales for evaluating ventilation efficiency as affected by supply and exhaust openings based on spatial distribution of contaminantsC Pro